回旋冲击钻具星形运动结构设计说明书.docx

中文摘要与关键词摘 要：本毕业论文在建立星型运动原理的基础上，阐述了大直径桩基础工程施工中成孔钻具的总体设计的内容，其主要内容包括气举排渣方案、小钻具的设计以及传动轴的设计等几个主要部分。通过对行星轮传动的研究，结合目前桩工基础工程存在的问题，建立起了大直径桩基础工程成孔钻具复合行星传动的运动结构，设计出来的钻具兼有冲击钻具和回旋钻具两种成孔钻具的优点，设计出来的钻具结构确保了钻具冲击和快速、及时排渣功能的实现。关键词：复合行星运动；整体结构；气举反循环排渣；气动驱动Abstract And KeywordAbstract： Basing on star movement principle, this graduation paper showed the designing of the overall construction of the holes drilling tool used in the large diameter pile foundation project. Its content mainly includes the designing of the overall construction, the designing of transmission, the plan of how to percussion, the plan of how to lift the ashes, the choice of drilling tool major parts material and their heat treatment way, the designing of gears on the transmission part, the designing of the small drilling tool, the designing of the drive shaft and so on . Through the research of the planetary gear transmission and analysis of the problems which is existing on present pile labor foundation engineering, the moving structure of the drilling tools compound planet transmission in the large diameter pile foundation project. The designed drilling tool has the advantages of both the general drilling tool and the maneuver drills. The drilling tools designed construction has ensured the percussion and lift the ash with high speed.Keywords: Compound planetary motion; Overall construction; reverse circulation lifting the ash by air; air-operated drive第一章 前言目前，大口径钻孔灌注桩在重大基础工程中得到了广泛的应用。在现实生活中桥梁、港口、码头、水工和工民建筑物的建筑工程中，在0.8米以上2.0米以下常规直径桩基础成孔施工中，广泛使用冲击钻和回旋钻两种基本钻型。但是这两种钻具存以下缺点，主要是：1、普通回旋成孔钻，成孔稳定，但成渣能力低，对不同工程地质条件适应性差，特别不适应胶结砾石地质和破岩成孔，地质适应范围受限。2、一般冲击钻虽然地质适应性好，破岩能力强，但大直径成孔施工进度慢，震动大易致孔壁坍塌，同时大直径的重型冲击锤自旋性差，还易使成孔失圆。3、大直径的成孔设备研发需要创新思路，以及泥浆护壁正循环排渣方法施工。在钻具方面还需要对刃具切削运动和机构继续进行创新探索，因为使用常规钻头解决大直径成孔需要，一般采取了开发大功率钻机，寻求超硬刃具材料等办法，而有逼向大功率配置和设备笨重的方向发展趋势。这样不仅固有的问题没有解决，而且又更加大了施工设备投资，影响了工程建设效益。4、沉井护壁非排水施工的设备缺乏。非排水沉井护壁施工可避免发生沉井偏位、滞留和井口沉陷以及下沉缓慢等诸多问题，还可解决如污水处理需要的大直径曝气井的同步施工问题。随着国内外桩基础工程机械的研究开发，为了适应各种工程地质条件施工，提高成孔施工效率，降低设备投入量和适应大直径桩基成孔需要，目前在传统的冲击钻和回旋钻的基础上，已生产出了如：重型冲击钻、连杆冲击反循环钻、套管钻机、潜孔冲击锤、潜水回旋钻、回转斗钻、短螺旋钻和扩底钻头等施工机械设备，大部分产品实现了反循环排渣，明显地提高了成孔施工效率，一般岩层成孔直径可达到2.5米左右，进口设备成孔直径已可达6米。其中结构简单的国产重型冲击钻成孔直径也可达3.0米。但是仍然避免不了上文提及的一些实际问题，如钻具的使用寿命短，钻具的成本高；有的只是提高了成孔的效率，没有结合工程实际解决钻具实用性的要求。最近，日本利根公司生产的RRC型潜水钻机，通过理论分析钻机能综合实现回旋钻具和冲击钻具的优点，但实践表明：这种钻机在实际运用过程中只具回旋钻的工作特点，不能实现冲击钻的冲击功能，只能实现回旋钻的基本功能；而且其工作范围也因它的工作原理受到一定的局限，比如在地质条件较差的工地上施工，其工作效率低，消耗的能量也比较多。鉴于以上情况，为适应各类建筑工程钻孔灌注桩基础设计和施工的发展需要，通过探索一种能建立起成孔刃具群进行复星形运动的机构，使钻具兼有冲击钻和回旋钻两种基本钻型成孔原理的优点，创新开发出一种新型成孔钻具是发展的需要，这样可以满足桩基工程施工要求快速高效、稳定可靠、广泛适用的要求以及超大直径方向发展。第二章 建立星形运动的基本原理在桩基工程施工中大量使用的回旋钻头，其工况状态的一个最大特点，就是切削刀刃与孔壁和孔底保持整体的线面接触状态，以挤压作用效应为主，刮削切入阻力大，成渣能力低，且线速分布不均，作用能量分散，无效功耗大，所以刮削作用难以有效发挥。如果能使单个小直径刃具能实现如图1所示的平面单迹线运动，切削刀刃与孔壁和孔底保持近似点状态接触，并同时具有径向旋削和轴向冲击破碎岩石的功能，则由数个小直径刃具组成的刃具群将会在成孔运动中产生群体作用效应，这样由若干连续点的钻削运动，形成周边圆形的细密网状的成孔平面，从而实现钻具群体逐层由上至下的整体成孔运动。图1 群钻运动轨迹示意图为了实现这种复杂的运动，其中复合行星运动则可以实现这种运动。通过研究得出这种运动的运动原理，其运动原理如图2所示。图2 星型运动原理图由运动原理图，可得出钻具各零部件的连接关系，其结构简示意图如“图3”。图3 结构简图在图3中：1主传动轴，2中心太阳轮，3行星轮， 4内齿圈，5孔底钻杆及齿轮，6托盘，7孔壁钻杆及齿轮，8外壳。其中，外壳与内齿圈为一个整体，托盘与外壳之间有滑动摩擦。在整个运动过程中，由中心太阳轮带动3个均布在内齿圈的行星轮作自转、公转运动；托盘通过套在行星轮上的孔底钻杆及齿轮带动托盘作圆周运动（绕太阳轮的中心作公转），同时，受结构的约束，孔底钻杆齿轮则与行星轮运动形式一致：既作绕中心轴作公转运动，又绕钻杆中心作自转运动，其运动轨迹是一个复杂曲线运动，如图1所示；孔壁钻的动作是通过连在托盘上面的孔壁钻杆，通过托盘的圆周运动带动整个孔壁钻杆齿轮与内齿圈啮合：既绕中心太阳轮做公转，同时绕钻杆中心作自转运动，其运动轨迹和托盘一样：绕太阳轮作圆周运动。21 运动条件根据机械原理的知识，机构要实现有规律的运动应满足原动件的数目应等于运动链的自由度数。通过以上分析则可以得出：2与3之间为一个高副，3与4之间为一个高副，孔底钻齿轮与托盘之间为一个高副，孔壁钻齿轮与内齿圈之间为一个高副；中心太阳轮与机架之间有一个回转副，孔底钻杆与行星轮之间有一个转动副，孔壁钻杆与托盘之间有一个转动副，托盘与外壳之间有一个回转副。同时，孔底钻杆及齿轮既绕行星轮中心作回转运动又绕中心轴作回转运动，即存在两个回转副；同时钻杆与其齿轮之间有上下的移动副。即：F=3xn-2xPL-PH=3x7-2x8-4=1 (1)通过计算，满足原动件的数目等于机构的自由度数的基本条件，因而这种机构具有确定的运动。第三章 整体结构设计要考虑的问题为了很好地解决当前建筑工程钻孔灌注桩基础设计和施工中出现的问题，创新开发一种回旋冲击钻，使钻具兼有冲击钻和回旋钻两种基本钻型成孔原理的优点，在设计过程中应考虑以下问题：31 回旋冲击钻具的适用范围及性能要求 在目前的建筑工程上，主要采用旋转式钻孔机和冲击式成孔机。其中旋转式成孔机具有适应性强（只要变更钻头类型和压重数量，就可以适应各种松软覆盖层直至极应的硬岩层），并可以满足各种施工要求：桩径可以由10cm直至几米；钻孔深度可以由几米直至上千米。还具有噪声低、振动轻微、成孔率高等特点，故广泛应用在建筑工程上。冲击式成孔机的工作原理是利用成孔机的曲柄连杆机构，将动力的回转运动改变为往复运动，通过钢丝绳带动钻头上下运动，使钻头产生冲击作用，将地质层的卵石或岩石破碎，同时钻渣由取渣筒取出。冲击式成孔机能适用于任何土质条件，对于直径大于300mm，含量又在10%以上的大漂石岩层或整体岩层只能采用冲击式成孔。但是，1、普通回旋成孔钻，成孔稳定，但成渣能力低，对不同工程地质条件适应性差，特别不适应胶结砾石地质和破岩成孔，地质适应范围受限，所需配备设备功率大，能量损耗大。2、一般冲击钻虽然地质适应性好，破岩能力强，但对于大直径成孔施工进度慢，震动大易致孔壁坍塌，同时大直径的重型冲击锤自旋性差，还易使成孔失圆。回旋冲击钻建立起了切削刃具群的星形运动。通过小直径刃具群的星形运动，又同时具有转动切削和冲击破石的功能，则小直径刃具群的复合运动和作用，可提高成孔效率，使钻具兼有冲击钻和回旋钻两种基本钻型成孔原理的优点，即保留旋转钻机的成孔率高，成孔稳定等特点，同时利用冲击钻地质适应性强的特点，较好地回避了岩石的韧性和耐磨性，而利用了岩石的脆性和不耐冲击的特性，增大了钻具的地质适用范围，既适用于在松软地层和砾石层成孔，也适用于基岩嵌入成孔。同时利用气举排渣实现快速排渣，根据实际工作要求的需要使钻具用较小的功率达到旋转钻机和冲击式钻机的综合优点。通过综合比较，创新设计出来的回旋冲击钻应广泛适用于各种软硬不同的地质条件：适用于地质等级为XIVa，即流沙，沼泽土壤，含水黄土及其他含水土壤至比较坚固的页岩层、各种不坚固的页岩，致密的泥灰岩，砂质页岩，页岩或砂岩（岩石的单轴抗压强度为350MPa）。参照一般普通回旋钻具，回旋冲击钻的主轴旋转速度为1645r/min（参考KQ潜水电机主轴转速）,传递扭矩为1.94.6KN.m，冲击频率为45r/min。同时，设计出来的钻具有以下特点：1、在钻同直径的地下孔，回旋冲击钻与普通的旋转式成孔机和冲击式成孔机相比，所消耗的功率要小，成孔效率要高；2、设计出来的回旋冲击钻要求其小钻兼有自旋运动和往复移动的冲击功能，实现地下成孔。其中自旋运动是用来拨松孔底的泥土沙石，往复的冲击功能则是用来击碎孔底较大的沙石颗粒，便于钻具实现快速排渣；3、回旋冲击钻的使用寿命比一般的钻具使用寿命长。32 回旋冲击钻成孔原理及存在的问题 由图1可以看出，回旋冲击钻的工作面积是一个网状的包络面。通过实地考查， 结合回旋冲击钻的性能要求，我们发现要达到这种加工目的，在冲击过程中，要实现分阶段分别对孔底钻，孔壁钻和钻具的外壳进行冲击。同时在冲击完成后，需要有装置将小钻头提回至一定的高度，实现小钻头的自旋和拨松泥土沙石的功能。其冲击工作状态如图4。在图4（a）中，1孔壁钻杆和2孔底钻杆在传动装置的作用下实现自旋运动，实现拨松泥土沙石的作用，使得土层a变为碎石状态；在冲击力的作用下，空底钻和孔壁钻进100mm，进入坚硬的岩石层。同时在冲击力的作用下，整个钻具的外壳和中心钻连同上面的整个传动部分的零部件往下钻进100mm；冲击力撤消后，钻杆在回位装置的作用下，往上移动50mm，又作自转运动。在整个冲击过程中，（a）中的碎石状孔渣在钻头的自转变为流沙状，最后在反循环气举升渣的作用下，将直径小于180mm的颗粒排到工地上。图中装置4是三个均布在托盘上面的撑架，钻具在作回旋运转的时候，撑架将整个钻具撑起，使得钻具的传动机构离孔底工作面有一定的高度，从而使得小钻头在没有压力的情况下作自转运动，实现拨松泥土的功能；同时在冲击状态下，冲击锤先作用于孔底钻，后作用在孔壁钻，最后冲击力落到钻具的外壳上面，通过连在托盘上面的撑架将大部分冲击力传至地面。随着托盘绕钻具中心做回转运动，带动撑架和滚筒作纯滚动，同时起到松散石块的作用。为了实现快速排渣，排渣口不得设置的太高，必须控制在在回旋状态下钻头的工作范围内。这样才能保证钻具在不同的工作状态下，钻具形成的孔渣不至于上升到整个钻具的传动装置内，磨损整个装置传动的零部件。1孔壁钻，2孔底钻，3中心钻，4撑架a碎石状，b坚固岩石层(a) 回旋状态b坚固岩石层被击破(b) 冲击状态a流沙状，b碎石状，c岩石层(c) 回位状态图4 钻具成孔过程示意图33 回旋冲击钻结构的具体布局